一种适用于OTA测试的噪声温度测试方法

一种适用于ota测试的噪声温度测试方法
技术领域
1.本发明涉及微波、毫米波测量领域，具体涉及一种适用于ota测试的噪声温度测试方法。


背景技术：

2.噪声温度(nt)被作为衡量无线电接收机、发射机或天线阵列性能的关键指标之一。目前噪声温度参数的测量方法仍然是基于传统的传导法，然而，随着系统的集成度越来越高，对于那些带有集成天线的器件，如封装天线(aip)，传导法已经不适合测试这些器件。
3.nt是衡量接收机系统灵敏度的重要指标。天线噪声温度定义为在指定频率的单位带宽内，假设在无噪声的接收机前接一个电阻，如果接收机输出的噪声温度与接天线时的噪声温度相同，则这个电阻的噪声温度就是该天线的噪声温度。
4.对于待测器件噪声参数测试的研究，目前普遍采用图2所示的传导法，虽然测试过程较为简单，但这种方法仅适用于测试具有双/多端口的器件，而对于具有集成天线的模块无法进行测试。如2014年，h.f.hsiao等人分别采用冷源法和y因子法对下变频器进行噪声参数的测试，可以从测试结果中看到，冷源法受反射系数的影响小于y因子法，但冷源法对噪声参数的校准误差较大。而对于ota测试噪声的研究，采用传统方法测量天线和前端模块时，被测天线(aut)通常面向天空(effect study of spectrum analyzer noise floor on antenna noise temperature measurement zhen-dong wu,shun-you qin the fifty fourth institute of cetc,shijiazhuang 050081,p.r.china)、(uncertainty analysis of antenna noise temperature measurement using y-factor method shunyou qin,lijun zhang,zhensheng li the fifty fourth research institute of china electronics technology group corporation shijiazhuang 050081,p.r.china)，通过天线后级的开关分别获得天线的噪声温度。这种测量方法不方便，特别是在批量生产过程中，测量结果受到外部环境噪声温度和内部损失的显著影响，这些因素与天线放置的俯仰角密切相关。此外，射频开关是必要的，这带来了额外的噪声结果的不确定性。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明所提出一种适用于ota测量的噪声温度测量方法。
6.本发明至少通过如下技术方案之一实现。
7.一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，包括以下步骤：
8.a)根据第一测试系统，获取仪表的噪声温度t
instr
；
9.b)构建第二测试系统，测试第二测试系统的噪声温度tb及增益gb；
10.c)构建第三测试系统，测试第三测试系统的噪声温度值ta和增益ga。
11.进一步地，所述第一测试系统包括第一噪声源ns、第一频谱分析仪sa及所需的射频转接器，其中第一噪声源通过测试线缆、射频转接器与第一频谱分析仪相连，根据测试需求设置第一频谱分析仪中的频率、中频带宽、前置放大器、温度、enr各项参数，分别获第一
取噪声源处于开启和关闭时的噪声温度系统的y因子。
12.进一步地，所述仪表的噪声温度t
instr
通过以下公式计算：
[0013][0014]
其中，t
instr
和y
instr
分别为第一测试系统的噪声温度和y因子，和分别为第一噪声源的处于开启和关闭时的噪声温度。
[0015]
进一步地，第二系统包括第二噪声源、第二频谱分析仪、两个性能参数完全相同的标准增益天线及所需的射频转接器，两个标准增益天线之间的距离为d。
[0016]
进一步地，第二测试系统的噪声温度tb通过以下公式计算：
[0017][0018][0019]
式中，t
ant
为单个标准增益天线的噪声温度,g
ant
为单个标准增益天线的增益，其中t
ant
和g
ant
包括空间中的路径损耗；t
instr
为第一测试系统的噪声温度；gb为第二测试系统的增益。
[0020]
进一步地，第三测试系统包括第三噪声源、参考天线、待测设备dut、测试线缆、第三频谱分析仪及所需的射频转接器，参考天线与待测设备dut之间的距离为d。
[0021]
进一步地，待测设备dut为天线与射频模块的集成在一起的模块或单独的待测天线。
[0022]
进一步地，当待测设备dut为接收模块时，待测设备dut的噪声温度t
dut,rx
：
[0023][0024]
式中，ta和ga为第三测试系统的噪声温度值和增益，t
instr
为第一测试系统的噪声温度；tb和gb为第二测试系统的噪声温度和增益；g
ant
为第二测试系统单个标准增益天线的增益。
[0025]
进一步地，当待测设备dut为发射模块时，待测设备dut的噪声温度t
dut,tx
：
[0026][0027]
式中，tc和gc为第三测试系统的噪声温度值和增益，t
instr
为第一测试系统的噪声温度；tb和gb为第二测试系统的噪声温度和增益；g
ant
为第二测试系统单个标准增益天线的增益。
[0028]
进一步地，待测设备dut包括微波毫米波模块、接收机、发射机、封装天线。
[0029]
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
[0030]
本发明采用一对标准增益天线在室内测量具有集成天线的模块，因此测试结果受外界天空影响较小，测量结果相对稳定。且dut无论是接收模块还是发射模块，在测试中都可单独测出待测设备的噪声温度或噪声因子。
附图说明
[0031]
图1是本实施例空口法噪声温度校准和测试原理图；
[0032]
图2是基于传导法的nt测试结构图；
[0033]
图3a是基于ota法的噪声温度仿真验证参考天线校准仿真模型图；
[0034]
图3b是参考天线噪声温度仿真结果图；
[0035]
图3c待测设备测试仿真模型图；
[0036]
图3d是待测设备噪声温度仿真结果图。
具体实施方式
[0037]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，以下将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，首先分析噪声温度的概念和级联系统噪声温度的表达式，同时列出传导法与空口法测量噪声温度的过程，然后分析了空口ota测量中噪声温度的构成，同时根据提出的测量方法进行了仿真，最后通过与传导法的仿真结果进行了比较。对比结果表明，该方法在技术上对集成天线是可行的。
[0039]
系统级联的噪声温度可以表示为：
[0040][0041]
其中，t1和g1表示参考平面上的第一级模块的噪声温度和增益，t2和g2为第二级模块的噪声温度和增益，以此类推得到整个系统的噪声温度。
[0042]
被测射频组件通过同轴线缆将其输入输出两端分别连接噪声源和频谱分析仪(信号分析仪)，所测的总的噪声温度t
sys
分为接收端的噪声温度t
rx
和被测件的噪声温度t
dut
两个部分。
[0043]
若接收端的t
instr
可以被校准，且被测件的增益g
dut
已知，则被测件t
dut
可以由公式(6)计算：
[0044][0045]
由于测试时的环境温度不一定为290k，而噪声源的enr值为290k时测得的标准值，故在测试前需要对噪声源进行温度校正。即当时，根据式(7)进行校正。
[0046][0047]
式中，enr
corr
表示修正后噪声源的超噪比；enr
cal
表示修正前噪声源的超噪比标准值；t0为标准参考温度290k；为噪声源处于关闭状态时噪声源的噪声温度，即测试时噪声源的物理温度；
[0048]
空口法测试中发射端天线与接收端天线之间的水平距离建议满足天线远场距离，如公式(8)所示，其中r代表测试距离，d表示天线的孔径，λ代表测试信号的工作频率所对应的波长。
[0049][0050]
传统测量dut噪声温度的方法基于传导法，具体测量框图如图2的a、b所示；
[0051]
基于传导法的ntr测试框图说明：
[0052]
图2的a图为传导法的测试系统，包含ns、sa、测试线缆及所需射频转换器，两者用同轴连接线相连，共同构成图2的a测试系统。
[0053]
通过开启/关闭噪声源测得该系统的y因子，记为y1，可用公式(9)表达为；
[0054][0055]
其中为噪声源处于开启状态时噪声源的噪声温度；为噪声源处于关闭状态时噪声源的噪声温度，即测试时噪声源的物理温度；t
instr
为sa的内部噪声温度；其中可由噪声源的超噪比(enr)根据式(10)得到。
[0056][0057]
根据式(9)、(10)可得到仪表自身的t
instr
，其中设备指sa，如公式(7)所示。
[0058][0059]
图2中的b图为传导法的测试系统，包含ns、sa、测试线缆、所需射频转换器以及待测器件dut，dut输入端与ns相连，dut输出端与vsa相连，三者共同构成图2(b)的测试系统。
[0060]
图2的b图测量得到的nt值可以视为设备自身的噪声温度t
instr
与待测仪器的t
dut
构成，如公式(12)所示。
[0061][0062]
测试步骤包括：
[0063]
a)按照图2(a)搭建系统，根据测试需求设置频谱分析仪中的频率、中频带宽、前置放大器、温度、enr(根据测试时所用噪声源的enr值)等各项参数，然后进行噪声测试；
[0064]
b)通过式(11),仪表可自动对噪声源的enr值进行校准，仪表可自动测量得到仪表本身的噪声温度t
instr
。
[0065]
c)按照图2(b)搭建测试系统，频谱分析仪设置参数与步骤a)完全一致，可测得测试系统整体的噪声温度t
sys
和dut的增益g
dut
；
[0066]
d)根据式(12)可计算处dut的噪声温度t
dut
。
[0067]
本实施例的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，包括以下步骤：
[0068]
a)搭建如图1的a所示的第一测试系统，图1a为仪表校准。
[0069]
作为一种优选的实施例，所述第一测试系统包括第一噪声源ns、第一频谱分析仪sa及所需的射频转接器，其中第一噪声源通过测试线缆、射频转接器与第一频谱分析仪相连，根据测试需求设置频谱分析仪中的频率、中频带宽、前置放大器、温度、enr(根据测试时所用噪声源的enr值)等各项参数，然后进行噪声测试，可测得仪表本身的噪声温度t
instr
：
[0070][0071]
其中，t
instr
和y
instr
分别为第一测试系统的噪声温度和y因子，和分别为第一噪声源的处于开启和关闭时的噪声温度。
[0072]
b)按照图1的b搭载第二测试系统，用于参考天线噪声测试，频谱分析仪设置参数与步骤a)完全一致，第二系统包括第二噪声源、第二频谱分析仪、两个性能参数完全相同的标准增益天线及所需的射频转接器，此时两个参考天线(即标准增益天线)之间的距离为d，可测得第二测试系统整体的噪声温度tb和第二测试系统的整体增益gb；
[0073][0074][0075]
由上式可得到单个标准增益天线的噪声温度t
ant
和增益g
ant
，其中t
ant
和g
ant
包括空间中的路径损耗。
[0076]
c)构建第三测试系统，测试第三测试系统。第三测试系统包括第三噪声源、参考天线、待测设备dut、测试线缆、第三频谱分析仪及所需的射频转接器，频谱分析仪设置参数与步骤a)完全一致，参考天线与待测设备的天线之间距离也为d，根据待测设备为接收模块还是发射模块，选择相应的测试系统。若待测设备为接收模块，则按照图1的c搭载第三测试系统，dut为接收模块时的空口法噪声测试，可测得第三测试系统整体的噪声温度ta和该系统的整体增益ga。根据下式可得到该待测设备的噪声温度t
dut,rx
：
[0077][0078]
式中，ta和ga为第三测试系统的噪声温度值和增益，t
instr
为第一测试系统的噪声温度；tb和gb为第二测试系统的噪声温度和增益；g
ant
为第二测试系统单个标准增益天线的增益。
[0079]
若待测设备为发射模块，则按照图1的d搭载第三测试系统，dut为发射模块时的空口法噪声测试，频谱分析仪设置参数与步骤a)完全一致，参考天线与待测设备的天线之间距离也为d，可测得第三测试系统整体的噪声温度tc和该系统的整体增益gc，该待测设备的噪声温度t
dut,tx
：
[0080][0081]
式中，tc和gc为第三测试系统的噪声温度值和增益，t
instr
为第一测试系统的噪声温度；tb和gb为第二测试系统的噪声温度和增益；g
ant
为第二测试系统单个标准增益天线的增益。
[0082]
作为另一一种优选的实施例，待测设备为微波毫米波模块、接收机、发射机、封装天线等器件和系统。
[0083]
通过keysight公司的systemvue 2020软件给出一种具体测试案例，以证明本发明测试原理的合理性。如图3a中所示，最左侧port＝1端口作为噪声源，在27ghz产生30dbm的连续波；最右侧port＝2端口作为信号(频谱)分析仪的输入端；中间antpath_1为一对参数完全相同的标准增益天线，根据下式进行参数设置，该天线总增益为-40db，系统噪声系数
为40db，系统噪声温度为2899719k(t0＝290k情况下)，如下图所示。
[0084]
total loss＝lossb+[lossa*log 10
(dist)]-g
1-g2+loss1+loss2
[0085]
式中g1、g2为单个参考天线的增益(该增益未包括空气中的路径损耗)，loss1、loss2为天线本身材料的损耗，lossb为路径损耗，此时可将频谱(信号)分析仪视为理想(无噪声)仪表，即t
instr
＝0；通过上述相应的公式和可得到单个参考天线的噪声温度t
ant
＝28710k和增益g
ant
＝0.01db。
[0086]
进一步的，如图3c所示，最左侧port＝1为噪声源，最右侧port＝2为信号分析仪的输入端，中间antpath_1为一对参数完全相同的标准增益天线，其参数与图3a中一样，图中lin为线性增益放大器。仿真待测器件(dut)的噪声温度，在该系统里，待测器件包括一个接收天线和线性增益放大器，其中线性增益放大器的噪声系数为3db，增益为20db。
[0087]
由仿真结果可得到该系统噪声温度为5785970.7134k(t0＝290k情况下)，通过上述相应的公式可以计算得到该dut的噪声温度为57572.607134k，当dut中待测天线的增益已知时(图中为0.01)，可根据下式算出线性增益放大器的噪声温度t
lna
＝288.626k，此时噪声系数nf
lna
可由下式得到，为3db。该结果与设计的参数值一致，即可验证该测试方案的可行性。
[0088]
t
lna
＝(t
dut-t
ant2
)
×gant2
[0089][0090]
为了进一步验证本发明提出的测试方法具有可行性，这里给出了基于该方法的实际测量数据，如表1。
[0091]
表1基于本发明所提出的ota方法的噪声温度测试数据
[0092][0093]
将测试结果与传统的传导法进行对比，如表2。
[0094]
表2ota方法和传统传导法的噪声温度测试结果对比图
[0095][0096]
其中，有源射频模块采用qotana公司的宽带低噪声放大器模块，增益为43db，饱和功率psat为20dbm。喇叭天线来自a-info公司，在10dbi的频率范围内，平均增益为4.90～7.05ghz。噪声源采用noise公司的nc346v，可在0.10ghz至55.0ghz的频率范围内工作。选择来自罗德和施瓦茨公司的频谱分析仪fsw43作为本次测量的信号接收器，并向噪声源提供28v直流电源。
[0097]
在表2中，t
moudle,ct
和t
moudle,ota
分别为基于传导法和本发明所提ota法对射频模块的噪声温度测试结果。根据对比结果来看，在参考天线与待测设备之间距离为55cm,75cm和95cm时，ota方法的平均误差分别为11.287％,12.736％和12.32％，因此该方法具有可行性。
[0098]
本发明可以测试包括/不包括有输入和输出端口的待测设备的噪声温度。该测试方法基于一对标准增益的喇叭天线，且空口法测试中发射端天线与接收端天线之间的水平距离建议满足天线远场距离。该测试所需要的测试仪表可以是噪声源和信号(频谱)分析仪的组合，也可以是其它噪声发生设备和接收系统。待测器件适用于微波毫米波模块、接收机、发射机、封装天线等器件和系统。在测试噪声温度前，需要对环境温度、仪表噪声等影响因素进行校准，进而提高测量的精准度及可靠性。
[0099]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，包括以下步骤：a)根据第一测试系统，获取仪表的噪声温度；b)构建第二测试系统，测试整个第二测试系统的噪声温度及增益；c)构建第三测试系统，测试整个第三测试系统的噪声温度值和增益。2.根据权利要求1所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，所述第一测试系统包括第一噪声源ns、第一频谱分析仪sa及所需的射频转接器，其中第一噪声源通过测试线缆、射频转接器与第一频谱分析仪相连，根据测试需求设置第一频谱分析仪中的频率、中频带宽、前置放大器、温度、enr各项参数，分别获第一取噪声源处于开启和关闭时的噪声温度系统的y因子。3.根据权利要求1所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，所述仪表的噪声温度t
instr
通过以下公式计算：其中，t
instr
和y
instr
分别为第一测试系统的噪声温度和y因子，和分别为第一噪声源的处于开启和关闭时的噪声温度。4.根据权利要求1所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，第二系统包括第二噪声源、第二频谱分析仪、两个性能参数完全相同的标准增益天线及所需的射频转接器，两个标准增益天线之间的距离为d。5.根据权利要求4所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，第二测试系统的噪声温度t
b
通过以下公式计算：通过以下公式计算：式中，t
ant
为单个标准增益天线的噪声温度,g
ant
为单个标准增益天线的增益，其中t
ant
和g
ant
包括空间中的路径损耗；t
instr
为第一测试系统的噪声温度；g
b
为第二测试系统的增益。6.根据权利要求1所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，第三测试系统包括第三噪声源、参考天线、待测设备dut、测试线缆、第三频谱分析仪及所需的射频转接器，参考天线与待测设备dut之间的距离为d。7.根据权利要求6所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，待测设备dut为天线与射频模块的集成在一起的模块或单独的待测天线。8.根据权利要求6所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，当待测设备dut为接收模块时，待测设备dut的噪声温度t
dut,rx
：式中，t
a
和g
a
为第三测试系统的噪声温度值和增益，t
instr
为第一测试系统的噪声温度；t
b
和g
b
为第二测试系统的噪声温度和增益；g
ant
为第二测试系统单个标准增益天线的增益。9.根据权利要求4所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，当待测设备dut为发射模块时，待测设备dut的噪声温度t
dut,tx
：
式中，t
c
和g
c
为第三测试系统的噪声温度值和增益，t
instr
为第一测试系统的噪声温度；t
b
和g
b
为第二测试系统的噪声温度和增益；g
ant
为第二测试系统单个标准增益天线的增益。10.根据权利要求6～9所述的一种适用于ota测试的噪声温度测试方法，其特征在于，待测设备dut包括微波毫米波模块、接收机、发射机、封装天线。

技术总结
本发明公开了一种适用于OTA测试的噪声温度测试方法，该发明旨在使用空口测试的方法来测量待测器件的噪声温度，包括以下步骤：根据第一测试系统，获取仪表的噪声温度；构建第二测试系统，测试整个第二测试系统的噪声温度及增益；构建第三测试系统，测试整个第三测试系统的噪声温度值和增益，其中待测器件适用于微波毫米波模块、接收机、发射机、封装天线等器件和系统。测试仪表可以是噪声源和信号分析仪的组合，也可以是其它噪声发生设备和接收系统。该测量方法通过测试前对环境温度、仪表进行校准，因此对于天线射频一体化模块、片上天线模块的测试具有简便、快捷、精度高的特点。精度高的特点。精度高的特点。


技术研发人员：陈海东 王帅 林伟杰 车文荃 薛泉
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.02.08
技术公布日：2023/7/12